Тема 7. Возведение подземных инженерных сооружений
МЕТОДОМ ОПУСКНОГО КОЛОДЦА
План
Введение
1. Сущность метода и классификация опускных колодцев
2. Технология устройства монолитных колодцев
3. Возведение сборных колодцев
4. Возведение опускных колодцев под водой
1. Сущность метода и классификация опускных колодцев
Опускным способом возводят насосные станции, отстойники и подземные резервуары, скиповые ямы, подземные части установок для непрерывной разливки стали и крупного дробления руды, фундаменты тяжелого оборудования и другие подземные инженерные сооружения, строительство которых, особенно в обводненных грунтах, представляет большие сложности.
Сущность способа (рис. 7.1, а,б,д) опускания заключается в том, что на поверхности, непосредственно на месте будущего сооружения, изготавливается открытая сверху и снизу железобетонная оболочка (колодец, рис. 7.1-а), которая опускается под действием собственной массы, если под ней разрабатывают грунтовое основание (рис. 7.1-д).
Условие опускания может быть выражено следующей формулой:
G + G П > 1,2 · Т
где 1,2 — коэффициент условий работы; G — собственный вес колодца; G П — дополнительная пригрузка или усилие на колодец; Т - сила трения стен колодца по грунту.
Вес круглого колодца можно определить по формуле:
G = π ( R 2 – r 2 ) h γ т (кН),
где R и r – наружный и внутренний радиусы стен колодца; h – высота стен колодца; γ - плотность материала стен колодца (уд. вес).
В случае, если часть колодца находится ниже уровня грунтовых вод расчетный вес 1 м3 его стен γр.с принимают с учетом взвешивающего давления воды по формуле:
,
где hПВ – высота стен под водой; γВ – плотность воды.
Силу трения вычисляют так: Т = π D h ГР f т (кН),
где π D – периметр стен колодца; h ГР - высота слоя грунта, контактирующая со стенами колодца; f – удельная сила трения между бетоном и грунтом (сила трения на единицу боковой поверхности стены колодца), принимается постоянной 1…3 т/м2.
Классификация опускных колодцев:
по форме в плане: круглые, прямоугольные, эллиптические;
по форме в пространстве: цилиндрические, конические, призматические и ступенчатые;
по способу изготовления: монолитные, сборные и сборно-монолитные;
по способу погружения: гравитационные (под действием собственного веса) и выполняемые способом задавливания;
в зависимости от размеров и толщины стен: тонкостенные (толщина стен до 0,5 м), средней массивности (0,5…1,2 м), массивные ( 1,2 м и более).
Для облегчения опускания стены колодца изготавливают ступенчатого сечения с уступом 7... 15 см (рис. 7.1-а) или придают стенам наклон 1 % для уменьшения сечения в верхней части стен (конические), в полость между стеной и грунтом закачивают тиксотропный раствор бентонитовой глины («тиксотропная рубашка»), значительно снижающей силы бокового трения (рис. 7.1, г-8). Для этих же целей нижнюю часть стен колодца оборудуют стальным «ножом» из уголка или тавра. Силы трения между опускаемым колодцем и грунтом можно значительно уменьшить, если по специально подведенным к ножу и наружным поверхностям стен колодца трубкам подвести воду.
Предварительно (для уменьшения высоты оболочки) отрывают котлован (рис. 7.1, д-18), дно которого должно находиться выше уровня грунтовых вод приблизительно на 0,5... 1 м, или (на местности, залитой водой) насыпают насыпь высотой не менее 0,5 м над поверхностью воды. Перпендикулярно осям стен устанавливают временные опоры из бревен, пластин или шпал (рис.7.1.а-1), на которые опирают возводимое опускное сооружение. Перед погружением опоры убирают, разрабатывают грунт внутри сооружения, в результате чего оно опускается под действием собственной тяжести (гравитационный колодец).
Технологическая схема возведения опускного колодца включает в себя следующие этапы:
• устройство рабочей площадки и временных опор,
• поярусное или полное изготовление стакана,
• гидроизоляция стен,
• опускание колодца,
• устройство днища и перекрытий,
• установка оборудования,
• устройство покрытия и кровли.
В основном применяются опускные железобетонные колодцы диаметром до 50 м и более, иногда на глубину до 70 м. Обычно изготавливаются круглой формы, так как круглый опускной колодец лучше работает на сжатие и меньше подвержен кренам при опускании.
Грунт обычно разрабатывают механическим способом, но иногда может применяться гидромеханическая разработка с использованием для размыва и подъема грунта гидромониторов, землесосных снарядов, эрлифтов или гидрожелонок. Различают механическую разработку грунта «насухо» и с выемкой из-под воды. В первом случае землеройные механизмы работают под землей, для чего их опускают на дно выемки (рис.7.1, д-15), а подъем грунта осуществляют в бадъях при помощи кранов, установленных на дневной поверхностиземли; грунтовые воды понижают иглофильтрами или откачивают (рис.7.1, г-10), во втором — экскаваторы, располагаясь на земной поверхности, разрабатывают грунт с использованием четырех- или двухчелюстных грейферов вместимостью 0,5…2 м3 (рис.7.1, а-2). В последнее время вместо обычных стали использовать виброгрейферы с вибропогружателями.
3. Возведение сборных опускных колодцев
При погружении колодцев ниже уровня подземных вод необходимо обеспечить устойчивость их против всплытия, которое может произойти после устройство днища, проверку колодцев на всплытие производят с учетом наиболее высокого уровня подземных вод Нв , когда колодец погружен на проектную отметку и забетонировано днище, по формуле для круглого колодца:
Σ G + 0,5 · Σ T > 3,14 · Квсп · Н в · R 2 ,
где R – наружный радиус колодца; Квсп – коэффициент условий работы по всплытию, равный 1,25.
4. Возведение опускных колодцев под водой
Кессон (рис. 7.5) состоит в основном из кессонной камеры (11), надкессонного строения (8) и шлюзового устройства (2,3,4,5). Успешное погружение кессона определяется следующим соотношением активных и реактивных сил:
G 1 + G 2 > T + P н · w в.н + 100 · Рв · w к.н ,
где G1 и G2 – вес соответственно кессонной камеры и надкессонного строения в кН; Т – сила бокового трения о грунт в кН; Рн – давление грунта под ножом кессона в кН/м2; wв.н – площадь внутренней поверхности ножевой части в м2; Рв – избыточное давление воздуха в кессонной камере; wк.н – площадь кессона по наружному очертанию.
Работа людей в кессоне допускается при давлении не свыше 0,4 МПа (4 атм), что соответствует глубине погружения кессона 40 м. Практически достижима глубина 36 м (т.к. давление в кессоне должно быть на 10% больше давления столба воды).